FORMATION OF ULTRAFINE-GRAINED STRUCTURE IN CARBON STEEL IN THE HOT PLASTIC DEFORMATION PROCESSES

O. A Nikitenko; Никитенко О. А; Iu. Iu Efimova; Ефимова Ю. Ю; M. S Zherebtsov; Жеребцов М. С; N. V Koptseva; Копцева Н. В; M. P Barishnikov; Барышников М. П; E. S Selivanova; Селиванова Е. С

doi:10.15593/.v17i1.3241

Формирование ультрамелкозернистой структуры углеродистой стали в процессах горячей пластической деформации

Авторы: Никитенко О.А¹, Ефимова Ю.Ю¹, Жеребцов М.С¹, Копцева Н.В¹, Барышников М.П¹, Селиванова Е.С¹
Учреждения:
1. Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носов
Выпуск: Том 17, № 1 (2015)
Страницы: 31-41
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3241
DOI: https://doi.org/10.15593/.v17i1.3241
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Исследованы особенности режимов деформирования и закономерности формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в низкоуглеродистой стали 20 с использованием методов горячей пластической деформации на комплексе Gleeble 3500. Перспективным направлением получения УМЗ-структур в металлах и сплавах является использование именно методов горячей пластической деформации, однако закономерности таких процессов и получаемых свойств материалов изучены не в полной мере. Эксперимент заключался в одноосном высокоскоростном сжатии цилиндрических образцов. Скорость деформирования была выбрана максимально возможная, соответствующая возможностям комплекса. Степень истинной деформации также была выбрана с учетом возможностей комплекса и составила ε = 1. В результате была установлена возможность получения УМЗ-структуры в низкоуглеродистой стали методом горячей пластической деформации одноосным сжатием. Определены энергосиловые и температурно-скоростные режимы, обеспечивающие получение УМЗ-структур с размером зерна 240-1250 нм. Аналогичный размер зерна получается при холодной пластической деформации с большими степеням накопленной деформации. Микротвердость образцов, полученных в ходе эксперимента, составила 2000 МПа, что соответствует микротвердости после первого прохода равноканального углового прессования. Таким образом, данный вид обработки позволяет получать УМЗ-структуру в низкоуглеродистой стали 20, что приводит к повышению механических свойств материала.

Ключевые слова

углеродистая сталь, энергосиловые и температурно-скоростные режимы горячей пластической деформации, ультрамелкозернистая структура, микротвердость, сталь 20, горячая пластическая деформация, физическое моделирование, деформационное измельчение.

Полный текст

В настоящее время получение материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой осуществляется в основном методами холодной пластической деформации [1], что накладывает существенные ограничения на режимы технологического процесса. Перспективным направлением получения УМЗ-структур в металлах и сплавах является использование методов горячей пластической деформации, однако закономерности таких процессов и получаемых свойств материалов изучены не в полной мере. В связи с этим актуальным является вопрос исследования механизмов формирования свойств и режимов деформирования для получения УМЗ-структуры методами горячей пластической деформации. Как известно, структуру и свойства металла при деформации определяют такие факторы, как величина давления (или импульса), скорость деформации (или продолжительность процесса) и температура. Целью исследования было установление энергосиловых параметров и температурно-скоростных режимов получения сталей с УМЗ-структурой методами горячей пластической деформации. Большие возможности для моделирования процессов горячей пластической деформации предоставляют комплексы физического моделирования Gleeble 3150, 3500, 3800 [2, 3]. Они являются, по сути, высокоскоростным пластометром с возможностью реализации практически неограниченного числа стадий обработки металлов давлением с постоянной или переменной по ходу обработки температурой или скоростью деформации. Простое в использовании собственное программное обеспечение формирует удобный интерфейс для создания программ термомеханических испытаний и физического моделирования, а также сбора и анализа полученных данных. Нагрев образца осуществляется прямым пропусканием электрического тока, что позволяет нагревать образцы со скоростью до 10 000 °C/с, а также поддерживать постоянную температуру с точностью 1 °С. Благодаря высокой теплопроводности медных захватов, в которых закрепляется образец, в комплексе Gleeble 3500* возможно достигать высоких скоростей охлаждения [3]. Исследования проводились на образцах диаметром 10 мм и длиной 100 мм, изготовленных из стали 20, с помощью модуля «сжатие-растяжение» комплекса Gleeble 3500. Температурно-скоростные режимы деформирования представлены в таблице (применено свободное охлаждение в захватах, средняя скорость охлаждения около 40, °С/с). Температурно-скоростные режимы деформирования образцов Номер образца Температура нагрева, °С Скорость нагрева, °С/с Время выдержки, с Скорость движения траверсы, мм/с 1 750 10 60 5 2 1000 3 1250 5 4 1000 Степень деформации при различных температурах была одинаковой и задавалась сжатием образца на 25 мм, которое осуществлялось перемещением траверсы на соответствующее расстояние. Для выявления качественных и количественных характеристик микроструктуры использовался оптический микроскоп Meiji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO [4, 5], а также растровая электронная микроскопия (РЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM 6490 LV. Исходная микроструктура горячекатаного образца представлена на рис. 1. Она представляла собой характерную строчечную структуру, в которой и перлитные зерна вытянуты вдоль направления прокатки. Объемная доля перлита составляла примерно 24 %, феррита - 76 % (рис. 1, а), размер зерен находился в пределах 15-30 мкм, а среднее межпластиночное расстояние в перлите составляло 0,32 мкм (рис. 1, б). а б Рис. 1. Микроструктура стали 20 в исходном состоянии Общий вид микроструктуры стали 20 после деформации при температуре 750 °С при различной скорости деформации (скорости движения траверсы, см. таблицу) представлен на рис. 2. а б Рис. 2. Общий вид микроструктуры стали 20 после деформации при температуре 750 °С при различной скорости деформации (скорость движения траверсы): а - 5 мм/с; б - 1000 мм/с Наблюдается металлографически ориентированная в одном направлении структура (рис. 2, а), состоящая из параллельных деформационных полос, расположенных с шагом 5-10 мкм и подобных полосовым структурам, возникающим при традиционных способах деформации со степенями e £ 3…4. При скорости движения траверсы 1000 мм/с зеренная структура плохо просматривается с помощью оптической микроскопии, а границы зерен не различаются вовсе (рис. 2, б). В связи с этим структура стали были исследована с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) (рис. 3). а б Рис. 3. Формирование УМЗ-структуры стали 20 после деформации при температуре 750 °С при скорости движения траверсы 5 мм/с С помощью РЭМ выявлено, что в образцах, деформированных при температуре 750 °С, вне зависимости от скорости движения траверсы внутри деформационных полос (см. рис. 2), происходит разбиение зерен на более мелкие по размерам области (фрагменты). При этой температуре деформация стали 20 происходила в межкритическом интервале Ас1-Ас3, т.е. в двухфазной области аустенит + феррит, когда одновременно деформировались и аустенитные и ферритные зерна. Таким образом, микроструктура стали после деформации при температуре 750 °С при скорости движения траверсы 5 мм/с состоит из зерен равноосной формы с размером в среднем до 1200 нм (рис. 3, а). В отдельных участках наблюдается УМЗ-структура с размером зерна до 350 нм. При больших увеличениях отчетливо видно, что зерна имеют тонкие прямолинейные границы и равновесные углы в тройных стыках (рис. 3, б), это указывает на формирование высокоугловых границ и свидетельствует, очевидно, о протекании частичной динамической рекристаллизации, в результате чего фрагменты феррита приобретают практически равноосную форму. Однако значительного роста рекристаллизованных зерен при таких условиях деформации не происходит. Помимо этого происходит сфероидизация цементита в перлитных участках. В образце, деформированном со скоростью движения траверсы 1000 мм/с, наблюдался меньший размер зерна (средний размер 240 нм, минимальный размер 150 нм) и большее количество фрагментированного феррита (рис. 4, а). Кроме того, обнаруживались изменения и в пластинчатом перлите: уменьшается межпластинчатое расстояние, отчетливо наблюдается деформация и изгиб цементитных пластин (рис. 4, б). а б Рис. 4. Особенности строения феррита и перлита в микроструктуре стали 20 после деформации при температуре 750 °С при скорости движения траверсы 1000 мм/с Структура, полученная при деформации при температуре 750 °С, оказалась аналогична структуре, которая наблюдалась в стали 20 после равноканального углового прессования (РКУП) при температуре 400 °С: в микроструктуре также формировались деформационные полосы и ультрамелкие зерна размером 300-500 нм [6, 7], - как и при динамическом канально-угловом прессовании титана при повышенных температурах [8]. Общий вид микроструктуры стали 20 после деформации при температуре 1250 °С при различной скорости деформации (скорости движения траверсы, см. таблицу) представлен на рис. 5. Деформация при этой температуре (выше температуры Ас3), протекала в однофазной аустенитной области. При этом морфология структурных составляющих полностью отличается от морфологии структурных составляющих при деформации при температуре 750 °С: феррит имеет игольчатое строение, а вместо пластинчатой феррито-карбидной смеси наблюдается бейнитно-мартенситная структура (БМ) (рис. 6). а б Рис. 5. Микроструктура стали 20 после деформации при температуре 1250 °С при различной скорости деформации: а - 5 мм/с; б - 1000 мм/с а б в г Рис. 6. Микроструктура стали 20 после деформации при температуре 1250 °С при различной скорости деформации: а, б - 5 мм/с; в, г - 1000 мм/с Формирование такой структуры обусловлено ростом зерна аустенита и ускоренным охлаждением при проведении эксперимента (см. таблицу). Сопоставление микротвердости стали 20, полученной в данном исследовании при деформации при повышенной температуре, с микротвердостью после РКУП, иллюстрирует рис. 7. По сравнению с РКУП твердость после деформации при повышенных температурах ниже, однако твердость по сравнению с исходным состоянием возросла примерно на 15 %, что связано с измельчением зерна и фрагментацией феррита при температуре 750 °С, а при 1250 °С - с ускоренным охлаждением и образованием БМ-структур. а б Рис. 7. Сопоставление микротвердости стали 20 после деформации при различных температурах и скорости движения траверсы и после РКУП при 400 °С Результаты исследования, полученные с использованием комплекса Gleeble 3500, показали принципиальную возможность обеспечить деформационное измельчение структуры стали 20 при деформации при повышенных температурах до размеров зерна 240-1250 нм, подобно тому, как это достигается при теплой и холодной пластической деформации с большими степенями деформации.

Об авторах